高层建筑结构抗震概念设计

摘 要：本文从高层结构抗震概念设计的基本定义出发,阐述了现代高层建筑结构概念设计的意义和设计原则及方法,以提高结构整体抗震性能,从而建造出适用、安全、经济、美观的现代高层建筑.

关 键 词：高层结构；抗震；概念设计

一、引言

建筑工程的概念设计在我国应成为一个先于建筑工程的初步设计,以功能优越、造型美观、技术先进的总体方案为目标的设计阶段.建筑工程的概念设计一般有建筑方面的概念设计和结构方面的概念设计两大部分,它们之间相互影响、相互协调、相互结合.而结构方面的概念设计其中一个重要的组成部分就是建筑的抗震概念设计,这在高层建筑中表现尤为突出.

建筑抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程.概念设计涉及从方案、结构布置到计算简图的选取,从截面配筋到构件的配筋构造都存在概念设计的内容.强调结构概念设计的重要性,旨在要求建筑师和结构设计师在建筑设计中应特别重视规范、规程中有关结构概念设计的各条规定,设计过程中不能陷于只凭“结构软件计算”的误区.若结构严重不规则、整体性差,则按目前的结构设计及计算技术水平,很难保证结构的抗震、抗风性能,尤其是抗震性能.现结合工作的实践经验在以下几个方面浅谈一下结构抗震概念设计的基本原则

概念设计的定义、意义及一般原则,并从高层建筑的抗震抗风设计和延性设计两方面提出对高层结构抗震的措施,指出高层建筑在抗震设计中应处理得当,以取得理想结果.

二、概述

地震是一种突发性的自然灾害,也是一种突发性的随机振动.在地震最初几秒钟内地震加速度达到峰值,它们对高层建筑的影响不大,但地震将近结束时,地面运动的周期有可能接近高层建筑的基本周期,它的影响就会很大.另外地运动的强度又随震中距加大而减小,其中高频分量的衰减较低频分量快,这对高层建筑设计是一个重要因素,尽管高层建筑所处震中距较大,但是有时会比当地底层建筑承受的地震作用要大.面对地震作用的不确定因素很多,简单的依靠数值计算得出的结果不能充分解决现实中的抗震问题.到目前为止,抗震设计包括结构的概念设计、计算设计和构造设计三大部分.而抗震计算设计的计算模型与计算理论还未达到令人满意的程度,单纯依靠计算并不能保证结构具有可靠的抗震安全度：应用概念设计进行建筑结构总体布置并确定基本的抗震措施对高层结构的抗震设计来说是十分重要的.

三、概念设计的定义

所谓概念设计是相对于数值设计而言的,其着眼于结构的总体地震反应,可以理解成运用人的思维和判断能力,从宏观上决定结构设计中的基本问题.抗震概念设计是根据地震震害和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,进行建筑结构总体布置并确定基本抗震措施的.

四、概念设计的意义

由于地震作用的随机性、复杂性、间接性和偶然性,尤其在高层建筑中结构自振周期、材料性能、阻尼变化和基础差异沉降等因素的影响,使结构在地震作用下表现出极大的复杂性和计算假定与实际情况的不符,且目前各国所制定的抗震设计规范差异较大,甚至反映在定性分析上其结论完全相反,使计算结果差距很大.因此,仅仅靠结构分析计算往往不能满足结构安全性、可靠性的要求,不能达到预期的设计目标.从某种意义上来说,结构概念设计比结构分析计算更为重要.

五、概念设计的一般原则

高层建筑结构水平荷载是控制结构内力和变形的决定性因素,因此除考虑建筑功能要求外,结构单元抗震侧力结构的布置宜规则、对称,受力明确,力求简单,传力合理,传力途径不间断,并应具有良好的整体性,其大致应包括以下几点.

1、建筑体型应力求规则：在进行结构选型时,建筑物的体型应力求简单、规则、对称、质量和刚度变化均匀.尽量把抗侧力构件从中心布置和分散布置,改为沿建筑周边或四个角上布置,从而提高结构的抗扭能力,确保减少地震时地震作用产生的变形、应力集中及扭转反应.

2、结构应具有明确的传力途径：建筑结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径,竖向传力体系设计的建筑空间形态是由结构传力体系支撑的：传力体系的剖面形式,直接反映结构沿竖直方向传递荷载的路径,也关系到建筑物的使用性能.对于高层抗震来讲首先应注意控制建筑的高宽比和高层建筑的抗侧力结构刚度,尽量避免竖向上刚度发生突变的现象.在由于使用要求而造成刚度变化特别大或结构布置发生变化时,则应设置结构转换层.

3、结构构件连接应可靠：抗震结构的各类构件之间要有可靠的连接.只有通过可靠的连接才能充分发挥各构件的承载能力和变形能力,从而使整个结构获得更好的抗震性能.抗震支撑系统,应能在地震时保证结构稳定.

4、考虑非结构构件对主体的影响：在抗震设计中,处理好非承重结构构件与主体结构之间的关系,可防止附加震害,减少损失.因此,在处理上,附属结构构件应与主体结构有可靠的连接或锚固,避免倒塌伤人或砸坏重要设备.

5、结构体系应具有多道抗震防线：一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接协同工作.例如框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构.结构体系应具有多道抗震防线才能避免因部分构件破坏导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力.

六、高层建筑的抗震抗风设计

高层建筑的突出特点是高度高.根据一般的力学分析结果可知,高层建筑在均布水平荷载的作用下,竖向平面结构构件的弯矩与建筑的总高度呈二次方关系,侧移与总高度呈四次方关系,因此,高层建筑结构在承受竖向荷载的同时,抵御水平荷载,控制侧移,减少建筑在风荷载和地震作用下的摇晃和振动是高层建筑设计的决定性因素.增强高层的抗震抗风设计,可加大柱子截面、增加抗震墙到适量最能加强结构抗侧刚度.结构应在竖向平面内合理布置斜向支撑,形成组合桁架式结构是减小高层建筑侧移的既有效又经济的方法.

七、结构的延性设计

在延性设计中应努力做到“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点强锚固”、“强拉弱压”的设计要求.在设计中,也可以通过提高各个构件的延性来提高整体结构的延性.在设计上为提高梁的延性一般可采取的措施：梁上配置适量的受压钢筋；选取合适的梁断面；采用现浇结构,提高混凝土等级；；加密粱的箍筋.在设计上为提高柱的延性一般可采取的措施：严格控制柱的轴压比；2）尽量选取剪跨比较大的长柱；设计中应尽量避免采用短柱；尽量使柱受力处于大偏心受压状态；加密柱箍筋,采用复合箍筋；采用钢管混凝土柱、分体柱.

八、注意地震的减灾技术,进行隔震和消能减震设计

隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的有效措施.隔震体系通过延长结构的自振周期能够减少结构的水平地震作,从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏,提高建筑物及其内部设施和人员的地震安全性.增加了建筑物继续使用的功能.采用消能减震的方案,通过消能器增加结构阻尼来减少结构在风作用下的是公认的事实,对减少结构水平和竖向地震反应也是有效的.

九、结束语

总之,高层建筑在抗震设计上存& #22312;许多问题,只有正确应用抗震设计概念,处理得当,才会取得较为理想的结果.而且,对于复杂体型的高层建筑,应该运用弹塑性时过程分析法对结构进行二次验算,检查存在的薄弱部位并进行必要的加强处理.

概念设计需要结构工程师和建筑师的密切配合与合作,做的“功能、结构、美观、建筑的统一”是概念设计的最高追求.